项目简介

　　企业简介

　　福建宁德地区雨水充沛且依山靠海、航运便捷。福建福安海和实业有限公司是一家集矿山、码头、物流和冶炼生产于一体的民营企业。该公司项目一期投资6亿多建设两座30000KVA矿热电炉，采用红土镍矿RKEF工艺技术(“回转窑－矿热炉”法)实现10万吨/年镍铁产能。

　　红土镍矿RKEF工艺描述

　　潮湿的红土镍矿先经干燥窑烘干后，再破碎和配料入回转窑预烧结，最后进入矿热电炉冶炼，其中矿热电炉是冶炼的核心环节和设备。矿热电炉包括三相变压器和电极、液压站、下料管和炉体冷却水几部分设备。电炉冶炼是围绕三根电极在炉内高温放电从而加热冶炼物料，三根电极分别由三台低电压大电流变压器提供电能。由液压大力缸升降控制电极柱高度，而控制电极在炉内的放电强弱，从而控制炉内冶炼温度。另外通过电极变压器调档也能控制电极放电强弱和炉内冶炼温度。

　　控制系统构成

　　方案设计

　　冶炼生产离不了众多的温度、压力、调节阀和冷却水等测量和监控报警，以及物料计量与通讯，因此主机架选用S7-400系列PLC，而ET200M架构分布式I/O模块以其通道数量多、成熟稳定而广泛应用。其中全新的IM153-4PN采用PROFINET通讯，可支持多达12块I/O模块，集成两个RJ45插口和ED交换机功能，配合独立的PROFINET IO通讯控制器CP443-1和高防护等级的SCALANCE X208网管型交换机，实现10/100Mbps自适应、全双工高速IO通讯和远程诊断监控。

　　系统配置

　　两座矿热电炉，每座电炉设备工艺布置和控制功能基本相同，都是围绕三相加热电极而设计的，具体包括每相电极大力缸升降、小油缸压放、上下抱闸和压力环的松开和压紧；变压器调档、液压站主辅油泵的控制和油压监控、下料管闸板阀和调节阀操控，以及电炉冶炼生产相关参数监控等。

　　因此每座电炉布局一套S7-400 PLC（AS站），共6个PROFINET IO站点（IM153-4PN），另外共用4台OS站和1台ES站。软件系统采用STEP7 V5.5+SP2、WinCC V7.0+SP3、S7-SCL V5.3+SP6和WindowsXP+SP3操作系统。I/O数量设计约1836点，冗余约24%，实际约1400点。

　　原CPU模块选型设计采用CPU412-2PN（6ES7 412-2EK06-0AB0），但用户提出希望考察S7-400CPU集成PN口项目的使用案例。由于集成PN口的控制器刚推出市场不久，本公司未在之前有使用案例。因此为消除用户疑虑，而选用了支持PROFINET通讯的CP443-1模块作为PN IO控制器。

　　项目使用模块及I/O统计表如下：

　　系统硬件组态结构

　　CPU414-2DP模块没有PROFINET通讯端口，PROFINET IO通讯控制器由CP443-1模块承担。CPU模块虽然有X1和X2两个PROFIBUS-DP通讯端口，但未使用，留待用户以后扩展使用。

　　CP443-1模块X1P1R端口用于连接6个PROFINET IO通讯站点；X1P2R端口则分别连接至各自的SCALANCE X208交换机，实现与所有OS站和ES站的监控通讯。

　　PROFINET IO通讯IP地址、设备命名表及用途如下表：

　　

　　系统网络组态结构

　　中心控制室配置1台工程师站（ES）和4台操作员站（OS）用于1#和2#电炉的程序组态、编辑、修改和下载管理及监控操作；以及一台网络打印机用于项目文件的管理及生产报表的打印，与两套电炉S7-400系列PLC经各自的SCALANCE X208交换机连接，构成一个TCP/IP协议以太网络（EtherNet）。OS站和ES站与两套S7-400PLC采用S7协议连接（S7 connection），而两套S7-400PLC之间采用ISO-on-TCP协议连接。ES站和OS站命名及IP地址分配表如下：

　　AS站架构编程设计

　　为更好的发挥PROFINET网络通讯设备在OS站中的诊断分析和故障报警功能，本项目采用了TIA全集成架构组态编程（AS-OS）和RSE（报告系统故障Report System Error）组态方式生成系统诊断报警（Diagnostic Alarm）。

　　特别是采用SCL编程FB功能块，调用系统报警功能块ALARM_8P和NOTIFY_8P，实现在OS中生成按时间顺序的消息过程（Number of Time Sequence Message），因此不仅报警集成组态效率高，而且功能强大。

　　RSE（报告系统故障Report System Error）是一种是在STEP7环境中（AS）组态编译后，能将主机架及I/O设备、模块通道等故障诊断信息（Diagnostic Alarm），主动上传至OS中的一种方便简洁的报警编程组态方法。RSE不仅能报告诊断主机架及I/O，还能诊断PROFIBUS和PROFINET通讯站点I/O模块及通道，极大的方便系统诊断设计组态和设备维护人员快速查找和分析判断系统故障。

　　PROFINET网络功能设计

　　PROFINET基于工业以太网（Industrial Ethernet）IEEE802.3标准，使用ISO和TCP/IP协议实时高速（Real-Time）通讯。使用SIEMENS的PROFINET通讯设备后，还具有网络拓扑（Topology）、环网介质冗余（MRP）、设备自动调试（Automatic commissioning）、IO WEB发布、IO快速启动（Fast Start Up）和等时同步（IRT）等功能。

　　PROFINET IO网络拓扑组态结构

　　网络拓扑（Topology）组态是PROFINET通讯设备特有的组态方式，具有设备更换无需可移动存储介质（Exchanging a PROFINET IO device without removable storage medium），和操作期间更改I/O端口（Changing partner port during operation）等设备自动调试功能（Automatic Commissioning）。

　　拓扑编辑器（Topology Editor）提供表格视图（Table view）和图形视图（Graphic view）两种组态方式。本项目CP443-1和IM153-4PN模块分别都有两个Port端口（即RJ45插口），因此PROFINET IO通讯控制器和I/O设备全部支持物理设备（PDEV）。CP443-1模块还支持SNMP（简单的网络管理Simple NetWork Management Protocol）、 LLDP（链路层发现Link Layer Discovery Protocol）及DCP（发现和组态Discovery Configuration Protocol）等协议，则可利用拓扑编辑器组态设置、互连和诊断包括端口在内的PROFINET设备。设备端口I/O互连配置表如下：

　　PROFINET环网介质冗余组态

　　分布式IO模块IM153-4PN和IO通讯控制器CP443-1都集成了P1和P2两个RJ45端口（Port）。既可用于级联扩展（Link），又可实现端口数据交换（Switching），还可实现环网冗余功能。

　　PROFINET环网采用介质冗余（MRP，Media Redundancy）方式实现。本项目两套S7-400PLC分别对应两座电炉，因此就设计了两个冗余环网，域名称为mrpdomain-1和mrpdomain-2。每个环网设置以各自的CP443-1模块为域管理者角色（Manager），则对应的分布式I/O站点（即IM153-4PN）和交换机（SwitchingX）角色则为对应域客户机（Clint）。

　　以CP443-1模块X1 P2 R端口为引出线与IM153-4PN模块X1 P1 R端口互连（即Furnace01-PN-IO设备），而X1 P2 R端口引出线与下级IM153-4PN模块X1 P1 R端口互连。最末级X1 P2 R端口引出线与交换机（即SwitchingX设备）X1 P8端口互连，而SwitchingX交换机X1 P1端口则与CP443-1块X1 P1 R端口互连，从而形成闭合的电气环网。

　　PROFINET IO WEB组态

　　PROFINET通讯基于工业以太网络（Industrial Ethernet），因此以太网的TCP/IP、FTP、DHCP、SNMP、HTTP、Email等IT技术，可以应用在PROFINET设备通讯之中，用户管理和维护。

　　PROFINET IO WEB是一种方便实用、功能强大的网络诊断维护工具，本项目CP443-1模块支持TCP/IP、ISO、SNMP和WEB诊断等功能。因此将系统组态下载至CPU中运行后，在网络中任何一台Windows系统Internet Explorer浏览器地址栏中键入“http://192.68.0.60”或“http://192.68.0.70”，就可以监控1#炉或2#炉主机架CPU模块状态、分布式I/O站点组态及模块状态、IO控制器端口收发数据包状态，以及CPU及IO控制器诊断缓冲区事件描述等系统诊断信息。

　　为方便维护人员快速查找和诊断PROFINET网络系统设备故障，本项目利用WinCC图形编辑器（Graphics Designer）先新建一幅画面（Picture），然后调用两个WinCCWebBrowser控件（ActiveX controls），之后在MyPage属性项中分别指定以上两个Internet Explorer浏览器地址，用于分别指向1#和2#炉CP443-1模块的IP地址。这样就可以在运行的OS站上直接查看到系统诊断信息。

　　PROFINET网络调试和运行

　　本项目PROFINET网络针对自身工艺特点和要求，主要设计了IO拓扑（Topology）、环网介质冗余（MRP）和IO WEB诊断维护等功能。

　　IO Topology调试和运行

　　IO Topology组态后除具有设备更换无需可移动存储介质和操作期间更改I/O端口等设备自动调试功能外，利用Topology的图形视图（Graphic view）和表格视图（Table view）在线后（Online），还可清晰查看和诊断出PROFINET网络内各个设备和I/O端口的连接使用状态。

　　环网介质冗余MRP调试

　　环网介质冗余MRP调试方法很多，可以直接查看CP443-1通讯模块或IM154-3PN模块的状态指示灯；也可以在线查看CP443-1模块诊断缓冲区（Diagnostic Buffer）信息；还可以利用PROFINET IO WEB功能在远程实现诊断维护。

　　（1）如果环网域中某一节点断开，则对应的域管理器CP443-1模块上的桔黄色MAINT指示灯常亮。如果断点在IM154-3PN分布式I/O模块，则P1或P2端口上的黄色LINK指示灯将熄灭。

　　如果断点在SCALANCE交换机，则端口对应的桔黄色指示灯熄灭。由于X208是网管型交换机，具有环网冗余管理功能（RM），因此交换机上桔黄色L指示灯熄灭，而F指示灯亮红。

　　（2）CP443-1模块作为PROFINET通讯控制器，其诊断缓冲区（Diagnostic Buffer）能给出详尽的通讯网络故障诊断信息。例如“Ring opened”、“No physical connection on port”或“Ring closed again”等提示信息。

　　（3）还可以直接针对PROFINET网络进行在线诊断。如果环网域中某一节点断开，则在线诊断状态（Status）显示为一个黄色扳手图标，提示信息为“Maintenance demanded”。

　　（4）除了以上几种网络诊断方式外，还可利用PROFINET IO WEB功能，利用Internet Explorer浏览器查看更为详尽的诊断状态信息，实现远程诊断维护。另外操作维护人员还可利用OS站监控画面直接查看诊断信息。

　　应用体会

　　PROFINET通讯介于PROFIBUS和Ethernet两个通讯协议之间取长补短，采用TCP/IP和ISO协议，既具有PROFIBUS通讯的稳定性和实时性，又具有Ethernet通讯的广泛使用性和兼容性。

　　相比PROFIBUS通讯并针对自身项目特点，高效低成本的实施了设备自动调试（Automatic Commissioning）、环网介质冗余（MRP）、IO WEB等网络功能。特别是IO WEB功能，大大方便了操作维护人员实现远程诊断维护；环网介质冗余（MRP）则大大提高了网络的可靠性和稳定性。

　　尽管由于各方面的原因，没能采用集成PN端口的CPU模块，但随着时间的推移以及应用案例的普及使用，集成PN端口的CPU模块必将越来越多的得以广泛应用。

　　参考文献

　　[1]《SIMATIC PROFINET系统说明》系统手册   [2012年3月]   SLC IA&DT&BT技术支持与服务

镍铁合金电炉控制系统网络结构图

项目使用模块及I/O统计表